Chiralita e centri stereogenici: enantiomeri e attivita ottica

Una molecola può essere costruita esattamente come la sua immagine allo specchio eppure non essere sovrapponibile a essa: come la mano destra e la sinistra. Questa proprietà — la chiralità — è uno dei concetti più profondi della chimica organica, perché due molecole che differiscono solo per la loro «manualità» possono avere odore, sapore ed effetto biologico completamente diversi.

Vediamo che cos’è la chiralità, che cosa sono il centro stereogenico e l’attività ottica, e perché gli enantiomeri condividono quasi tutte le proprietà fisiche tranne una.

Immagine e immagine speculare

Una molecola è chirale quando non è sovrapponibile alla propria immagine speculare. Il nome viene dal greco cheir, mano: proprio come la mano destra e la sinistra sono l’una l’immagine riflessa dell’altra ma non si possono sovrapporre, così due molecole chirali correlate sono identiche in tutto tranne che nel verso. Le due forme prendono il nome di enantiomeri. Una molecola sovrapponibile alla sua immagine speculare è invece detta achirale.

Il centro stereogenico

La causa più comune di chiralità è la presenza di un centro stereogenico (o centro di chiralità): tipicamente un atomo di carbonio legato a quattro gruppi tutti diversi tra loro. Un carbonio così era chiamato in passato carbonio asimmetrico. L’esempio didattico perfetto è il clorofluoroiodometano, un carbonio che porta H, Cl, F e I: quattro sostituenti diversi, quindi due disposizioni spaziali non sovrapponibili. È utile però ricordare che il centro stereogenico non deve essere per forza un singolo atomo: la stereogenia può risiedere anche in un doppio legame o in altre strutture rigide.

L’attività ottica

La manifestazione fisica della chiralità è l’attività ottica: una sostanza chirale fa ruotare il piano della luce polarizzata che la attraversa. La spiegazione sta nel fatto che gli elettroni di una molecola chirale non possono oscillare allo stesso modo in tutte le direzioni, e questa asimmetria interagisce diversamente con le due componenti circolari della luce. Si misura con un polarimetro. Una sostanza che ruota il piano in senso orario è detta destrogira e indicata con (+); quella che lo ruota in senso antiorario è levogira, indicata con (−).

Cosa hanno in comune i due enantiomeri

Due enantiomeri sono quasi indistinguibili: hanno gli stessi punti di fusione e di ebollizione, la stessa densità, la stessa solubilità, lo stesso spettro IR e NMR in un ambiente non chirale. Differiscono soltanto in due cose: il verso con cui ruotano la luce polarizzata (uguale in modulo, opposto in segno) e, spesso in modo spettacolare, il loro effetto biologico. Questo li rende difficili da separare con i metodi fisici ordinari, perché quasi tutte le grandezze su cui si basa una separazione sono identiche.

Racemi e miscele non racemiche

Una miscela in parti uguali dei due enantiomeri si chiama racemo (o racemato) e si indica con il prefisso (±) o rac-. Il punto chiave è che un racemo non ruota affatto il piano della luce: le rotazioni opposte dei due enantiomeri presenti in egual misura si annullano, e la rotazione netta è nulla. Se invece le due forme sono presenti in rapporto diverso da 1:1, si parla di miscela non racemica, che mostra una attività ottica residua proporzionale all’eccesso di un enantiomero sull’altro. È esattamente ciò che si misura come «eccesso enantiomerico», parametro centrale per valutare la purezza ottica di un prodotto di sintesi asimmetrica. Storicamente gli enantiomeri venivano anche chiamati antipodi, proprio perché ruotano la luce nella stessa misura ma in versi opposti.

molecola chirale  →  ruota il piano della luce polarizzata  (destrogira + / levogira −)

Quando l’effetto biologico cambia tutto

Gli organismi viventi sono costruiti con molecole chirali, e quindi «sentono» i due enantiomeri in modo diverso, esattamente come un guanto destro calza solo sulla mano destra. Gli esempi sono sorprendenti.

Perché conta nella pratica

La chiralità è oggi un tema centrale per chi lavora nella chimica fine, farmaceutica, alimentare e cosmetica. Un principio attivo può essere efficace in una forma e inerte o tossico nell’altra; un aroma può cambiare completamente; un agrofarmaco può funzionare solo come uno dei due enantiomeri. Per questo le agenzie regolatorie chiedono sempre più spesso di sviluppare e controllare i farmaci come singolo enantiomero puro, e i metodi analitici chirali sono diventati una competenza richiesta nei laboratori di controllo qualità.

Domande frequenti

Che cosa significa che una molecola è chirale?

Significa che non e sovrapponibile alla propria immagine speculare, esattamente come la mano destra non si puo sovrapporre alla sinistra. Le due forme correlate si chiamano enantiomeri. Una molecola sovrapponibile alla sua immagine speculare e invece detta achirale e non possiede questa proprieta.

Che cos’è un centro stereogenico?

E un elemento della struttura che, scambiando due dei gruppi a esso legati, produce uno stereoisomero diverso. Il caso piu comune e un atomo di carbonio legato a quattro sostituenti tutti diversi, un tempo chiamato carbonio asimmetrico. Non deve essere per forza un singolo atomo: anche un doppio legame puo dare stereogenia.

Che cos’è l’attività ottica?

E la capacita di una sostanza chirale di far ruotare il piano della luce polarizzata che la attraversa, misurata con un polarimetro. Una sostanza che ruota il piano in senso orario e detta destrogira (+), quella che lo ruota in senso antiorario e levogira (−). E la manifestazione fisica piu diretta della chiralita.

Dal fatto che un composto è R posso dedurre se è destrogiro?

No. La configurazione assoluta (R o S) si stabilisce con le regole di priorita di Cahn-Ingold-Prelog, mentre il verso di rotazione della luce (+ o −) si determina sperimentalmente al polarimetro. Le due informazioni sono indipendenti: non esiste alcuna regola che permetta di prevedere il segno della rotazione dalla configurazione.

Perché due enantiomeri possono avere effetti biologici diversi?

Perche gli organismi viventi sono fatti di molecole chirali e interagiscono con i due enantiomeri come una mano con un guanto: solo uno «calza». Cosi i due enantiomeri del carvone hanno odori diversi (cumino e menta), quelli della valina sapori opposti, e i due della talidomide effetti drammaticamente differenti. E il motivo per cui in farmacologia la stereochimica e cruciale.